الهدف
بنهاية هذا الدرس، يكون الطالب قادرًا على شرح خطوات تضاعف DNA، والتمييز بين موضع حدوثه في الخلايا بادئة النواة وحقيقية النواة.
شرح الدرس
بناءً على قاعدة الاقتران التكاملي المدروسة في الدرس السابق، يحدث تضاعف DNA (نسخ الجزيء) قبل انقسام أي خلية، لضمان حصول كل خلية ابنة على نسخة كاملة ومطابقة من المادة الوراثية.
تبدأ عملية التضاعف بفك الحلزون المزدوج بواسطة إنزيم هيليكيز، الذي يكسر الروابط الهيدروجينية بين الشريطين، فيفصلهما ليصبح كل شريط قالبًا (نموذجًا) منفردًا. يقوم إنزيم DNA بوليميريز بعد ذلك بإضافة نيوكليوتيدات حرة جديدة أمام كل شريط قالب، متبعًا قاعدة الاقتران التكاملي بدقة (A مع T، وG مع C، كما تمت دراسته في الدرس السابق)، مما ينتج شريطين جديدين مكملين للشريطين الأصليين.
يُطلق على هذه الآلية اسم التضاعف شبه المحافظ، لأن كل جزيء DNA ناتج يحتوي على شريط قديم (أصلي) وشريط جديد (مُصنَّع حديثًا) — أي أن المعلومة الوراثية “تُحفظ جزئيًا” في كل نسخة ناتجة، لا تُبنى بالكامل من الصفر.
يختلف موضع حدوث التضاعف (وبقية العمليات الجزيئية المرتبطة بـ DNA) بين نوعي الخلايا: في الخلايا بادئة النواة (كالبكتيريا، وهي كائنات لا تمتلك غشاءً نوويًا حقيقيًا يحيط بالمادة الوراثية) يوجد DNA حرًا في السيتوبلازم على شكل جزيء دائري واحد، ويحدث تضاعفه مباشرة هناك. في الخلايا حقيقية النواة (كخلايا الإنسان والنباتات) يوجد DNA داخل نواة حقيقية محاطة بغشاء نووي، على شكل عدة جزيئات خطية منظمة في كروموسومات مرتبطة ببروتينات الهستون، ويحدث تضاعفه داخل النواة قبل انقسام الخلية.
أسئلة تدريبية
1. باحث يفحص خلية بشرية قبل انقسامها مباشرة، ويجد أن كمية DNA بها قد تضاعفت تمامًا مقارنة بالخلية الأصلية. ما الغرض من هذا التضاعف قبل الانقسام؟
عرض الإجابة
ضمان حصول كل خلية ابنة على نسخة كاملة ومطابقة من المادة الوراثية بعد الانقسام.
2. باحثة تلاحظ إنزيمًا يفك الحلزون المزدوج لـ DNA ويكسر الروابط الهيدروجينية بين الشريطين استعدادًا للتضاعف. ما اسم هذا الإنزيم؟
عرض الإجابة
هيليكيز.
3. باحث يفحص جزيء DNA بعد اكتمال تضاعفه، ويجد أن كل نسخة ناتجة تحتوي على شريط أصلي قديم وشريط جديد. ما اسم آلية التضاعف هذه؟
عرض الإجابة
التضاعف شبه المحافظ.
4. طالب يسأل: “لماذا يُسمى التضاعف بـ’شبه محافظ’ وليس ‘محافظًا بالكامل’ أو ‘غير محافظ تمامًا’؟” ما الإجابة الصحيحة؟
عرض الإجابة
لأن كل جزيء DNA ناتج يحتوي على شريط قديم (محفوظ من الأصل) وشريط جديد (مُصنَّع حديثًا) معًا – أي حفظ جزئي، لا كامل ولا معدوم.
5. باحثة تفحص خلية بكتيرية، وتحاول تحديد مكان وجود الـ DNA بداخلها. أين تتوقع أن تجد الـ DNA في هذه الخلية بادئة النواة؟
عرض الإجابة
حرًا في السيتوبلازم، على شكل جزيء دائري واحد، لأن البكتيريا لا تمتلك غشاءً نوويًا حقيقيًا.
6. باحث يفحص خلية نباتية (حقيقية النواة)، ويجد أن الـ DNA بها مرتبط ببروتينات معينة ومنظم في تراكيب محددة. ما اسم هذه البروتينات، وما اسم التراكيب الناتجة؟
عرض الإجابة
بروتينات الهستون؛ والتراكيب الناتجة هي الكروموسومات.
7. طالب يقارن بين خلية بكتيرية وخلية إنسان من ناحية الغشاء النووي، ويسأل: “ما الفرق الجوهري بينهما؟” ما الإجابة الصحيحة؟
عرض الإجابة
الخلية البكتيرية (بادئة النواة) لا تمتلك غشاءً نوويًا حقيقيًا يحيط بالـ DNA؛ خلية الإنسان (حقيقية النواة) تمتلك نواة حقيقية محاطة بغشاء نووي يحتوي الـ DNA بداخلها.
8. باحثة تعرض خلية لمادة تثبط عمل إنزيم DNA بوليميريز تمامًا. ما التأثير المتوقع على قدرة هذه الخلية على تضاعف DNA قبل الانقسام؟
عرض الإجابة
تعطل أو توقف عملية التضاعف، لأن DNA بوليميريز هو الإنزيم المسؤول عن إضافة النيوكليوتيدات الجديدة أمام كل شريط قالب.
9. باحث يفحص إنزيم هيليكيز في خلية معينة، ويجد أنه يعمل بكفاءة لكن إنزيم DNA بوليميريز معطل تمامًا. ماذا يتوقع أن يحدث لعملية التضاعف في هذه الحالة؟
عرض الإجابة
يحدث فك للحلزون المزدوج بنجاح (بفعل هيليكيز)، لكن لا تُضاف نيوكليوتيدات جديدة أمام الشرائط القالبية (بسبب تعطل DNA بوليميريز)، فتتوقف عملية التضاعف عمليًا في منتصف الطريق.
10. طالب يسأل: “أي قاعدة يتبعها DNA بوليميريز عند إضافة النيوكليوتيدات الجديدة أمام كل شريط قالب؟” ما الإجابة الصحيحة، المرتبطة بدرس سابق؟
عرض الإجابة
قاعدة الاقتران التكاملي (A مع T، وG مع C)، المدروسة في الدرس السابق عن تركيب DNA.
11. باحثة تفحص خلية عضلية بشرية (حقيقية النواة) في مرحلة التضاعف، وتقارنها ببكتيريا في نفس المرحلة. أين يحدث تضاعف DNA في كل من الحالتين؟
عرض الإجابة
في الخلية العضلية البشرية: داخل النواة (محاطة بالغشاء النووي)؛ في البكتيريا: مباشرة في السيتوبلازم (حيث يوجد الـ DNA حرًا هناك).
12. باحث يدرس طفرة تمنع إنزيم هيليكيز من كسر الروابط الهيدروجينية بين شريطي DNA بشكل طبيعي. ما التأثير المتوقع على الخطوة الأولى من عملية التضاعف؟
عرض الإجابة
تعطل فك الحلزون المزدوج، وهي الخطوة الأولى الضرورية لبدء التضاعف، مما يمنع أو يعيق العملية بأكملها من نقطة البداية.